Abstract

This thesis describes the development of a new precipitation index-based conceptual water balance model with parameters easily regionalized through the functional relationship with catchment and climate attributes. It also presents a simple method for improving model dynamics for streamflow simulations in a non-stationary climate. The model was developed for streamflow modelling and prediction in high-latitude catchments, where model parameter regionalization is difficult due to limited availability of hydrological data for the region. The model couples a snow accumulation and melt formulation with a current precipitation index (CPI) formulation to simulate daily precipitation in runoff hydrograph pattern from catchments with seasonal snow cover. Using new runoff conversion factors CT and Lf, and a threshold flow factor ThQ, the simulated CPI hydrograph is converted into daily runoff and routed using the transformation function Maxbas. The model was developed in Microsoft Excel workbook and tested in 32 catchments in Finland, a region with considerable seasonal snow cover. The results showed that the model can adequately simulate and reproduce the dynamics of daily runoff from catchments where the underlying physical conditions are not known. In addition, incorporating temperature conditions influencing inter-annual variability in streamflow into the model structure improved its structural dynamics, thereby improving its performance in a non-stationary climate. Most model parameters showed strong relationships with observable catchment characteristics, climate characteristics, or both. The parameter functional relationships derived from the model parameter-catchment relationships produced equally good model results when applied to independent test catchments used as mock-ungauged catchments. Inclusion of snow-water equivalent records and use of multiple objective functions for snow-water equivalent and runoff simulations during model optimization helped reduce the effect of parameter equifinality, making it easier to determine optimal parameter values. The current precipitation index (CPIsnow) model is a parsimonious tool for predicting streamflow in data-limited high-latitude regions.

Tiivistelmä

Tämä väitöskirja käsittelee yksinkertaisen sadantaan perustuvan konseptuaalisen vesitasemallin kehitystä ja soveltamista boreaalisille valuma-alueille sekä malliin liittyvää alueellista parametrisointia valuma-alueominaisuuksien ja ilmastoaineiston perusteella. Hydrologinen malli on luotu laskemaan ja ennustamaan valuntaa pohjoisille valuma-alueille, joilta on vähän hydrologista tietoa. Malli yhdistää lumen kertymisen ja sulannan tunnettuun sadantaindeksiin perustuvaan malliin (CPI) ja edelleen simuloi päivittäisen hydrografin valuma-alueille, joilla on selkeä lumipeitteinen ajanjakso. Malli laskee MaxBas funktion avulla CPI:llä muodostetun hydrografin päivittäiseksi valunnaksi valuntaan liittyvien malliparametrien CT ja Lf sekä virtaaman kynnysarvon ThQ avulla. Malli kehitettiin Excel-ympäristössä ja sitä testattiin 32 valuma-alueella Suomessa. Valuma-alueet edustivat maantieteellisesti kattavasti alueita, joilla esiintyy tyypillisesti kausittainen lumipeite. Saadut tulokset osoittivat, että kehitetty malli simuloi ja tuottaa päivittäisen valunnan riittävällä tarkkuudella valuma-alueille, vaikka hydrologista ja fysikaalista tietoa alueilta olisi niukasti. Useimmat malliparametrit olivat vahvasti riippuvaisia joko valuma-alue ominaisuuksista tai ilmastollisista parametreista tai molemmista. Parametrien funktionaalinen yhteys muodostettiin valuma-alueiden ominaisuuksien perusteella ja testattiin riippumattomalla valuma-aluejoukolla hyvin tuloksin. Malliparametrien samatavoitteellisuutta eli ekvifinaliteettiä voitiin vähentää huomioimalla mallissa lumen vesiarvomittaukset sekä hyödyntämällä useita parametrisia funktioita. Tällöin myös optimaalisten parametrien löytyminen nopeutui ja helpottui. Tämän väitöstyön pohjalta syntynyt uusi sadannan indeksiin pohjautuva laskentamalli (CPIsnow) mahdollistaa valunnan arvioinnin pieniltä valuma-alueilta, joilta on niukasti aineistoa saatavilla ja joissa lumen sulanta ja kertyminen ovat keskeisiä hydrologisia prosesseja.